آرگون فوقسرد با فراهمسازی محیطی بینویز، خالص و فوقشفاف، به کلید طلایی آشکارسازی مستقیم ماده تاریک در آزمایشهای پیشرفته فیزیک ذرات تبدیل شده است. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
در دنیای فیزیک مدرن، درک ماهیت مادهی تاریک به یکی از مهمترین اهداف پژوهشی بشر تبدیل شده است. شواهد اخترفیزیکی نشان میدهند که بیش از ۸۰ درصد جرم عالم از مادهای تشکیل شده که قابل مشاهده نیست و تنها از طریق آثار گرانشیاش قابل استنباط است. برای آشکارسازی مستقیم این مادهی مرموز، پژوهشگران از فناوریهای فوقالعاده حساس بهره میبرند که بتوانند کوچکترین برهمکنشهای ذرات ماده تاریک با هستههای اتمی را ثبت کنند. در میان محیطهای آشکارسازی گوناگون، آرگون فوقسرد جایگاه ویژهای دارد؛ چراکه این مادهی نجیب در دماهای کرایوژنیک، خواص نوری، الکترونی و حرارتی بسیار پایداری از خود نشان میدهد.
آرگون فوقسرد در واقع همان آرگون مایع شده در دمای حدود ۸۷ کلوین است. این حالت از آرگون، به دلیل شفافیت نوری بالا و خلوص زیاد، محیطی ایدهآل برای آشکارسازهای ماده تاریک محسوب میشود. آشکارسازهایی که از آرگون فوق سرد استفاده میکنند، توانستهاند نویز پسزمینه را بهطور قابلتوجهی کاهش دهند و احتمال مشاهدهی برهمکنشهای واقعی را افزایش دهند.
ویژگیهای فیزیکی و نوری آرگون فوقسرد
آرگون فوقسرد به دلیل ساختار اتمی بسته و پایداری شیمیایی بالا، در شرایط کرایوژنیک تقریباً هیچ واکنش ناخواستهای با محیط ندارد. این ویژگی آن را به محیطی بسیار تمیز برای ثبت رویدادهای بسیار ضعیف تبدیل کرده است. چگالی بالای آرگون فوق سرد باعث افزایش احتمال برخورد ذرات ماده تاریک با هستههای آرگون میشود.
یکی از مزیتهای کلیدی آرگون فوق سرد، توانایی آن در تابش نور فرابنفش با طولموج حدود ۱۲۸ نانومتر در هنگام برانگیختگی است. این خاصیت نوری یا همان scintillation، اساس عملکرد بسیاری از آشکارسازهای ماده تاریک را تشکیل میدهد. افزون بر این، آرگون فوق سرد دارای زمان فروپاشی نوری دوگانه است (یک مؤلفهی سریع و یک مؤلفهی آهسته)، که امکان تفکیک نوع رویدادها را فراهم میکند.
از دیدگاه الکترونی نیز آرگون فوق سرد دارای انرژی یونیزاسیون بالا و زمان عمر الکترون طولانی است. این ویژگیها باعث میشوند که الکترونهای آزاد حاصل از برهمکنشهای ذرات، بتوانند بدون اتلاف تا حسگرهای آشکارساز حرکت کنند. در نتیجه، آرگون فوق سرد همزمان سیگنال نوری (S1) و سیگنال الکترونی (S2) تولید میکند که هر دو برای تحلیل دقیق برهمکنشها حیاتی هستند.
اصول عملکرد آشکارسازهای ماده تاریک مبتنی بر آرگون فوقسرد
در آشکارسازهای مدرن، از ساختار دو فازی آرگون فوقسرد استفاده میشود. در این ساختار، لایهی پایینی از آرگون مایع و لایهی بالایی از آرگون گازی تشکیل شده است. هنگامی که یک ذرهی ماده تاریک (مانند WIMP) به داخل آشکارساز نفوذ کرده و با هستهی آرگون فوق سرد برخورد میکند، انرژی آن بهصورت نور و الکترون آزاد میشود.
نور اولیهی تابیدهشده در آرگون فوق سرد (سیگنال S1) بلافاصله توسط حسگرهای نوری شناسایی میشود. در عین حال، الکترونهای آزاد تحت تأثیر میدان الکتریکی به سمت سطح مایع حرکت کرده و وارد ناحیهی گازی میشوند. در اینجا، برخورد ثانویه با گاز آرگون باعث ایجاد نور دوم (سیگنال S2) میشود. نسبت بین سیگنالهای S1 و S2، اطلاعات دقیقی دربارهی نوع برهمکنش در آرگون فوق سرد ارائه میدهد و به دانشمندان امکان میدهد تا میان رویدادهای واقعی و نویز الکترونی تمایز قائل شوند.
سیستم دو فازی آرگون فوقسرد نهتنها حساسیت بالایی دارد، بلکه در مقایسه با سایر آشکارسازها (مانند زنون مایع) هزینهی عملیاتی بسیار پایینتری دارد. همین امر موجب شده که بسیاری از آزمایشگاههای بینالمللی به استفاده گسترده از آرگون فوقسرد روی آورند.
مزیت آرگون فوقسرد نسبت به سایر مواد آشکارساز
آرگون فوقسرد در مقایسه با زنون یا کریپتون چند مزیت مهم دارد. اول آنکه آرگون در جو زمین بسیار فراوان است و بهسادگی میتوان آن را جداسازی، خالصسازی و مایع کرد. دوم اینکه، آرگون فوق سرد دارای بازده نوری بالاتر و زمان پاسخ دقیقتری است که منجر به افزایش دقت در تشخیص برهمکنشهای هستهای میشود.
همچنین، میتوان از آرگون زیرزمینی برای تولید آرگون فوق سرد استفاده کرد؛ آرگونی که فاقد ایزوتوپ رادیواکتیو ^39Ar است و بنابراین نویز طبیعی بسیار کمی دارد. استفاده از آرگون فوقسرد زیرزمینی در پروژههایی مانند DarkSide سبب شده است تا حساسیت آشکارسازها تا چندین مرتبه افزایش یابد.
در نتیجه، آرگون فوقسرد هم از نظر فیزیکی و هم اقتصادی گزینهای بهینه برای آشکارسازی ماده تاریک محسوب میشود. ترکیب قابلیت خلوص بالا، پایداری کرایوژنیک و بازده نوری زیاد، آن را به محیطی بیرقیب در میان رسانههای آشکارسازی تبدیل کرده است.
سیستمهای خالصسازی و پایداری آرگون فوقسرد
برای حفظ کارایی آشکارساز، خلوص آرگون فوق سرد اهمیت حیاتی دارد. حتی مقدار ناچیزی اکسیژن، نیتروژن یا بخار آب میتواند نور فرابنفش را جذب کرده و زمان عمر الکترونها را کاهش دهد. بنابراین، سیستمهای خالصسازی چندمرحلهای برای آرگون فوق سرد طراحی شدهاند که شامل پمپهای بازگرداننده، فیلترهای شیمیایی، و تقطیرهای کرایوژنیک هستند.
در این فرآیندها، آرگون فوقسرد بهطور مداوم در مدار بسته گردش داده میشود تا هرگونه آلودگی احتمالی حذف گردد. همچنین، حسگرهای دقیق غلظت ناخالصی بهصورت لحظهای وضعیت خلوص آرگون فوقسرد را پایش میکنند.
یکی از نوآوریهای اخیر، استفاده از سیستمهای خنککنندهی نیتروژن مایع برای تثبیت دمای آرگون فوق سرد در محدودهی میلیکلوین است. این ثبات حرارتی موجب کاهش تبخیر و افزایش طول عمر کاری آشکارساز میشود.
پروژههای بینالمللی با استفاده از آرگون فوق سرد
۱. پروژه DEAP-3600
در آزمایش DEAP-3600 واقع در کانادا، بیش از ۳٫۶ تُن آرگون فوق سرد به کار گرفته شده است. دیوارهی داخلی آشکارساز با مادهای بازتابدهنده پوشیده شده تا نور فرابنفش تولیدشده در آرگون فوقسرد را به حسگرها بازتاب دهد. نتایج این پروژه نشان داده که استفاده از آرگون فوق سرد باعث کاهش نویز پسزمینه به سطحی بیسابقه شده است.
۲. پروژه DarkSide
پروژه DarkSide در ایتالیا از آرگون زیرزمینی برای تولید آرگون فوق سرد استفاده میکند. در نسخهی جدید آن (DarkSide-20k)، بیش از ۲۰ تُن آرگون فوقسرد بهکار خواهد رفت. این پروژه یکی از دقیقترین آزمایشهای جستجوی ماده تاریک در جهان است و هدف آن رسیدن به حساسیتی در حد 10⁻⁴⁷ cm² برای مقطع برهمکنش WIMPهاست.
۳. پروژه ArDM و DUNE
در پروژه ArDM در سوئیس نیز آرگون فوقسرد بهعنوان محیط آشکارسازی اصلی استفاده شده است. همچنین در پروژه DUNE که برای آشکارسازی نوترینوها طراحی شده، فناوری مشابهی بر پایه آرگون فوقسرد مورد استفاده قرار گرفته است. این دو پروژه سهم بزرگی در توسعهی فناوریهای دو فازی آرگون فوق سرد دارند.
طراحی فنی و حسگرهای نوری در آرگون فوق سرد
در آشکارسازهای بزرگ، نور تولیدشده در آرگون فوق سرد بسیار ضعیف است و نیاز به حسگرهایی با حساسیت بالا دارد. فوتومولتیپلایر تیوبها (PMTs) و سیلیکون فوتومولتیپلایرها (SiPMs) ابزارهایی هستند که قادرند حتی چند فوتون حاصل از برانگیختگی آرگون فوق سرد را ثبت کنند.
سطح داخلی آشکارساز معمولاً با مادهی TPB (Tetraphenyl Butadiene) پوشانده میشود تا فوتونهای فرابنفش ۱۲۸ نانومتر آرگون فوقسرد را به نور آبی مرئی تبدیل کند. این تبدیل طیفی باعث میشود که بازده آشکارسازی نور در آرگون فوق سرد به حداکثر برسد.
برای کنترل دما و فشار، از سیستمهای خنکسازی با حلقهی بسته و تنظیمکنندههای دقیق استفاده میشود تا دمای آرگون فوق سرد در محدودهی ثابت نگه داشته شود. این پایداری حرارتی برای جلوگیری از جوشش ناگهانی و نوسانات نوری ضروری است.
بدون دیدگاه